Доцент Горбачук Николай Иванович

Доцент Кожич Павел Павлович

Минск – 2010 г.

 

Оглавление

Оглавление. 2

Список обозначений ко всей выпускной работе. 3

Реферат на тему «Применение ИТ в исследовании фотопроводимости алзазных детекторов УФ-излучения». 4

Введение. 4

Глава 1. Обзор литературы. 6

Глава 2. Методика исследования. 15

2.1 Создание исследуемых структур. 15

2.2 Методика измерений. 16

2.3 Программы для измерений и обработки результатов.

2.3.1 KSWU..

2.3.2 Origin.

Глава 3. Основные результаты. 17

Глава 4. Обсуждение результатов. 18

Заключение. 18

Список литературы к реферату. 19

Предметный указатель к реферату. 20

Интернет ресурсы в предметной области исследования. 21

Действующий личный сайт в WWW (гиперссылка). 22

Граф научных интересов (образец приведен ниже). 23

Презентация магистерской (кандидатской) диссертации. (не менее15 слайдов, гиперссылка в электронном варианте, черно-белые выдачи по 6-9 слайдов на листе на бумажном носителе, помещаются в приложение). 24

Список литературы к выпускной работе. 25

Приложения. 26

 

 

Список обозначений ко всей выпускной работе

НРНТ алмаз – синтетический алмаз, выращенный при высоких давлении и температуре (high pressure high temperature);

CVD алмазная пленка – алмазная пленка, выращенная в процессе химического газофазного осаждения (chemical vapor deposition);

MSM – структура типа металл-полупроводник-металл (metal-semiconductor-metal);

ВАХ – вольт-амперная характеристика;

УФ – ультрафиолетовый;

ИК – инфракрасный;

ИТ – информационные технологии;

ТБО – термобарическая обработка;

ШП – широкозонные полупроводники;

ВШСК – встречно-штырьевая система контактов;

ИИ – ионная имплантация.

 

Реферат на тему «Применение ИТ в исследовании фотопроводимости алзазных детекторов УФ-излучения»

Введение

Детектирование ультрафиолетового излучения всегда являлось важной задачей. В современном мире его роль ещё больше возросла. УФ излучения имеют большое значение в следующих областях [1]:

Ø медицина и биотехнология;

Ø экология;

Ø материаловедение, дефектоскопия, криминалистика, искусствоведение;

Ø астронавигация и ультрафиолетовая локация;

Ø астрономия;

Ø ядерная физика и энергетика.

Для решения этой задачи первоначально пытались применить оптоэлектронные вакуумные приборы, использующиеся для обнаружения оптического излучения. В настоящий момент ведущими мировыми производителя созданы УФ фотоприемные устройства. Они представляют собой фотоэлектронные умножители электронно-оптических преобразователей, микроканальные фотокатодные устройства и устройства на основе широкозонных полупроводников. Эти приемники имеют свои ограничения. Для фотоэлектронных умножителей необходим вакуум, высокое напряжение, у них большие габариты и вес. Что касается микроканальных фотокатодных устройств, то это вакуум, нестабильность коэффициента умножения и чувствительности, искажение изображения. [2] Твердотельные приемники на основе широкозонных полупроводников создаются из различных материалов: кремний, GaP, нитриды, природный алмаз.

Алмазные фотоприемники УФ излучения обладают преимуществом перед своими конкурентами: узкий диапазон чувствительности (190-250 нм) и низкая чувствительность к солнечному излучению (отношение чувствительности к видимому света на 5 порядков меньше, чем к УФ излучению).

Для Республики Беларусь, в связи с наличием республиканского унитарного предприятия «Адамас БГУ» по производству синтетических алмазов, является актуальным возможность изготовления на основе имеющегося сырья создавать фотоприемники УФ излучения.

Целью данной работы является исследование фотоэлектрических характеристик приемников УФ излучения на основе синтетических алмазов производства РУП «Адамас БГУ».

Глава 1. Обзор литературы.

Ультрафиолетовое (УФ) излучение представляет собой диапазон длин волн от 100 до 400 нм. Его подразделяют на несколько типов:

Ø ближний УФ (NUV) – диапазон 400 нм - 300 нм (3.10 - 4.13 эВ);

Ø средний УФ (MUV) – диапазон 300 нм - 200 нм (4.13 - 6.20 эВ);

Ø дальний УФ (FUV) ‑.диапазон 200 нм - 122 нм (6.20 - 10.2 эВ);

Ø экстремальный УФ (EUV, XUV) – диапазон 121 нм - 10 нм (10.2 - 124 эВ);

Ø вакуумный УФ (VUV) ‑ диапазон 200 нм - 10 нм (6.20 — 124 эВ).

С точки зрения биологического воздействия УФ излучение делят на УФ-A лучи (UVA, 315—400 нм), УФ-B лучи (UVB, 280—315 нм) и УФ-C лучи (UVC, 100—280 нм). УФ-С излучение практически полностью и УФ-В ‑ на 90% поглощаются атмосферой (озон, водяной пар, кислород и т.д.) [4]. Воздействие УФ излучения на живые организмы представлено на рисунке 1 [1]. Следует отметить, что негативное влияние УФ на биологические организмы приходится на УФ-В и УФ-С лучи. Таким образом, детектирование этого диапазона излучений особо актуально.

Рисунок 1 ‑ Спектр относительного воздействия различных видов УФ излучения:

1 – пигментационное; 2 – эритемное; 3 – витаминообразующее; 4 – бактерицидное;

5 – концерогенное (разрушающее ДНК).

Диапазоны УФ излучения, обладающие различными и противоположными воздействиями на живые организмы, разнесены на единицы нанометров и нередко перекрываются. Это подводит к необходимости детектировать УФ излучение селективно.

Ещё одним из примеров применимости УФ излучения может служить военный аспект этого вопроса, а именно детектирование пламени от двигателя реактивного самолета.

На рисунке 2 [3] продемонстрированы спектры излучения Солнца и горения топлива JP-4, применяемого для двигателей реактивных самолетов. Применение детекторов ультрафиолетового излучения в этом направление накладывает на них ещё одно условие: малая чувствительность к видимому излучению.

Рисунок 2 ‑ Сравнение спектральной чувствительности ФД Шоттки на структуре AlGaN (Al 56%) и p-n ФД на основе SiC с УФ-спертрами излучения Солнца и горения топлива JP-4

Для создания фотоприемников ультрафиолетового излучения, которое имеет достаточно большие энергии квантов (3, 1 – 12, 4 эВ) используют различные широкозонные полупроводники. К классу широкозонных полупроводников (ШП) относят такие материалы, в которых при отсутствии в них электрически активных примесей с небольшой энергией ионизации, электропроводность при комнатной температуре ничтожно мала. ШП включают в себя: Si, SiC (6H), SiC (4H), GaP, ZnS, CdS и другие.

Неоспоримыми преимуществами перед возможными приемниками УФ-излучения обладают детекторе на основе алмаза. Это объясняется тем, что для них характерна:

Ø возможность построения полностью «солнечно-слепого» фотоприемника – с чувствительностью в области жесткого ультрафиоетового излучения (< 0, 3 мкм);

Ø удивительно высокая спектральная селективность фотоприемника на основе совершенных и чистых кристаллов типа IIа, для которых удается подавить чувствительность в видимой области спектра (0, 4 – 0, 7 мкм) более чем на три порядка по отношению к максимуму чувствительность в УФ части спектра;

Ø возможность управления одним из важных параметров – областью спектральной чувствительности алмаза путем простого отбора естественных кристаллов с различной концентрацией примеси (дефектов). [10]

Принцип действия фотоприемников на основе алмаза аналогичен принципу действия приборов, изготовленных из других полупроводниковых материалов. Конструкции детекторов можно разделить на два основных типа: с продольным и с поперечным дрейфом носителей заряда по отношению к направлению падающего излучения. Методы изготовления контактов могут быть различными. Для детекторов планарной системы создают на освещаемой поверхности гребенчаные системы контактов (рисунок 3), для приемников, работающих в «сэндвич»-структуре могут создаваться как гребенчатые контакты, так и сплошной полупрозрачный металлический контакт.

Рисунок 3 - Схематическое изображение детектора с гребенчатой структурой

При попадании в детектор фотонов с высокой энергией происходит ионизация атомов, в результате чего генерируются электронно-дырочные пары. Энергия, необходимая для создания электронно-дырочной пары в алмазе, составляет 13 эВ (в кремнии 3, 62 эВ). Генерированные излучением носители накапливаются в объеме фоторезистора в течении времени жизни. УФ-излучение эффективно поглощается только в приповерхностном слое порядка 10 мкм. В случае фотоприемника с «сэндвич» структурой созданного на основе алмазной пластинки толщиной 200 мкм, если к нему приложить напряжение в 200 В, тогда носители будут дрейфовать в режиме насыщения дрейфовой скорости (1 ÷ 2)∙ 107 см/с и за время пролета (порядка 10^-9 с), сопоставимого со временем жизни, достигнут противоположной стороны кристалла [10]. Насыщение скорости в алмазе происходит в электрическом поле с напряженностью выше 10⁴ В/см и объясняется взаимодействием с оптическим фоном. Максимальное значение времени жизни носителей зарядов для природных алмазов составляет десятки наносекунд.

Под воздействием излучения происходит поляризация кристалла алмаза. Ее причиной является захват ловушками неравновесных носителей заряда, движущихся под действием электрического поля к противоположным электродам. Возникающее при этом поле объемного заряда компенсирует приложенное поле, и под действием излучения чувствительность резко падает. Эффект поляризации, как правило, проявляется в толстых слоях при использовании излучения больших энергий. Таким образом, одним из способов улучшить стабильность является толщина активной области фотоприемника, соответствующая глубине проникновения ионизирующих воздействий. Так же эффект поляризации устраняется использованием выпрямляющих контактов, способных инжектировать в алмаз носители заряда. Если выпрямляющие контакты одинаковы, то один из них будет включен в прямом направлении, а другой - в запирающем.

При включении детектора в отсутствии облучения через него протекает ток, ограниченный объемным зарядом самих инжектированных носителей. При облучении ток увеличивается, и если в кристалле возникает поляризация, то создающий поляризацию заряд на ловушках со стороны инжектирующего контакта нейтрализуется инжектированными из него носителями в течение времени жизни. Носители противоположного знака, движущиеся к запирающему слою, вытягиваются сильным электрическим полем этого слоя. Запирающий слой должен иметь большие токи утечки (не очень высокое сопротивление), так как если использовать идеальный контакт с высоким обратным сопротивлением, все внешнее напряжение будет падать на этом контакте и электрическое поле в объеме алмаза будет незначительным.

В приборах на основе алмаза может быть реализован фотовольтаический эффект, который представляет интерес для преобразования ультрафиолетового излучения в электричество [11]. Такие структуры должны содержать области встроенного электрического поля, в которых происходит разделение фотогенерированных носителей заряда. К подобным структурам относятся p-n-переход, униполярные барьерные структуры или изолирующие пленки с металлическими электродами с различной работой выхода на противоположных сторонах.

Максимум чувствительности алмазных фотоприемников обусловленный зона-зонным переходом приходится на длину волны 225 нм. Соотношение сигнал/шум для фотоприемников на основе природного алмаза постигает порядка 10⁵ [10, 12]

Одним из производителей фотоприемников ультрафиолетового излучения на основе природного алмаза типа IIa является предприятие «УралАлмазИнвест». Спектр относительной чувствительности алмазных фотодетекторов на основе природных алмазов представлен на рисунке 4. Технические характеристики выпускаемых типов детекторов: фоторезистор (ФПА-1) и фотовольтаический детектор с потенциальной ямой (ФПЯ-1) – представлены в таблице 1 [13].

 

Рисунок 4 – Относительная спектральная чувствительность фотодетектора на основе природного алмаза [14]

Таблица 1 – Характеристики промышленно выпускаемых фотоприемников на основе природного алмаза типа IIа [10]

Параметры	Тип фотоприемника
	ФПА-1	ФПЯ-1
Спектральный диапазон чувствительности, нм	180-250	180-250
Максимум спектральной чувствительности λ max, нм	210	210
Максимум спектральной примесной чувствительности λ max, нм		1130
Порог чувствительности при λ max, Вт/Гц1/2	(1÷ 2)∙ 10-13	(1÷ 2)∙ 10-13
Токовая чувствительность Si при λ max, А/Вт		0, 15
Вольтовая чувствительность SV при λ max, В/Вт	2, 3∙ 106	0, 15
Размер фоточувствительной площадки, мм2	1 ÷ 10	1 ÷ 10
Напряжение смещения/питания, В	5 ÷ 60	5 ÷ 100
Динамический диапазон линейности, Вт/см2	104	104
Напряжение шума, В/Гц1/2	-	2, 5∙ 10-9
Постоянная времени фотопроводимости, с	250∙ 10-6	100∙ 10-6

Одним из типов синтетических алмазов являются CVD алмазы. CVD-процесс получения алмазов основан на разложении, тем или иным способом, углеводородов (как правило – метана) в смеси с водородом и последующим осаждением алмаза на нагретую подложку. Рабочая смесь диссоциирует в вакуумной камере под действием электрического разряда, СВЧ-плазмы или лазерного излучения. Возможна также диссоциация на горячей нити или в пламени газовой горелки (в этом случае используют смесь ацетилен-кислород). Продукты разложения (углеводородные радикалы и атомарный водород) диффундируют к подложке, нагретой до температуры 700–1000°С, на которую и осаждается алмаз. Рост алмаза не является эпитаксиальным, зарождение кристаллов происходит на заранее привнесенных на подложку центрах нуклеации, обычно (нано)частицах алмаза. Типичное значение давления газа в камере составляет 30–100 Торр, а скорости осаждения – 1–20 мкм/ч. В качестве подложек чаще всего используют кремний или молибден, но осаждать алмазные пленки можно и на другие материалы, стойкие к нагреву до 1000°С в присутствии атомарного водорода. Полученные пленки могут быть химически отделены от подложки и использованы далее в виде пластин. В то время как площадь поликристаллического CVD-алмаза может составлять десятки и сотни квадратных сантиметров, площадь монокристаллических пленок обычно не превышает 1 см², поскольку она ограничена размерами алмазной подложки. [15]

Типичный относительный спектр фоточувствительности фотоприемников УФ излучения на основе CVD алмазов представлен на рисунке 5

Рисунок 5 – Относительная спектральная чувствительность фотодетектора на CVD алмазах без дополнительной очистки поверхности и после неё[16]

Максимум чувствительности фотоприемников на основе CVD алмаза приходится на длину волны 220 нм. Дополнительная очистка поверхности алмаза приводит к снижению чувствительности фотоприемника в видимой области. Тогда превышение чувствительности в УФ-области над видимым излучением составляет 4 порядка, что на порядок меньше, чем для фотоприемников на основе природного монокристалла алмаза типа IIа.

Также для синтеза монокристаллов алмаза используют метод температурного градиента с использованием различных металлов-катализаторов. Наибольшая часть получаемых синтетических алмазов относится к типу Ib с концентрацией азота более 10¹⁹ см^-3. Добавление в катализаторы различных элементов позволяет регулировать примесной состав синтетических монокристаллов алмаза. Также легирование бором во время роста кристаллов позволяет получить алмазы типа IIb. Благодаря ряду уникальных свойств синтетический полупроводниковый алмаз является перспективным материалом для электроники. Одним из ограничений в расширении исследований и практическом применении таких алмазов является сложность его легирования. [17]

Выращиваемые монокристаллы синтетических алмазов характеризуются большой неоднородностью по концентрации азота [18]. В связи с этим, для создания на их основе фотоприемников высокого качества необходим тщательный отбор используемого сырья.

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться: